CN110204299B

CN110204299B - 一种低收缩高强度的风积沙路基材料及其制备方法

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Publication number: CN110204299B
Application number: CN201910538046.1A
Authority: CN
Inventors: 吴克雄; 李顺凯; 明阳; 胡锦轩; 沈尔卜; 骆晚玥
Original assignee: Cccc Shec Wuhan Port New Materials Co ltd; CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Institute Co Ltd
Current assignee: Cccc Shec Wuhan Port New Materials Co ltd; CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: CN110204299A

Abstract

本发明公开了一种低收缩高强度的风积沙路基材料及其制备方法，该材料包括以下按质量百分数的各组分：风积沙74～78％；水泥6～8％；纳米材料1.5～2.5％；聚乙烯醇0.1～0.5％；高分子乳液0.2～0.8％；水玻璃0.5～1.2％；余量为水。本发明制备的风积沙路基材料在低收缩率、高强度的同时，具有良好的防水性能，降低水对风积沙路基稳定性的影响，使风积沙路基施工技术在西北地区广泛应用，不仅提高了施工质量，还具有良好的经济环保效益。

Description

一种低收缩高强度的风积沙路基材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路工程材料，具体地指一种低收缩高强固化风积沙路基材料及其制备方法。

背景技术

我国沙漠化土地达到170多万平方公里，占国土面积18％以上，影响全国30个一级行政区省、自治区、直辖市。八大沙漠、四大沙地是我国主要沙源地，南方沿江、河、海也有零星沙地分布。沙漠地区路基填土材料有限，风积沙作为西北地区一项极其丰富且地域性强的材料，若能物尽其用，将风积沙固化后用于路基填料或道路水稳层材料，则可大量降低修路成本。同时降低风积沙对环境的污染。

目前关于风积沙固化的研究很多，现有固化剂具有工艺复杂、成本高、材料稀缺、效果不佳、污染环境的缺点。高分子化学材料固沙效果较普通化学材料显著，王银梅等(王银梅,孙冠平,谌文武,丁亮.SH固沙剂固化沙体的强度特征[J].岩石力学与工程学报,2003,22(增2)：2883～2887.)自行研制了新型高分子化学固沙材料SH固沙剂，并对其强度及相关特征进行了试验与分析，结果表明：用SH固沙强度高，抗冻融和耐老化性能好，在沙漠固沙中有广阔的发展前景。但上述SH固沙剂是针对固沙植被新材料，并非针对沙漠地区的路基材料，在沙漠地区极度干燥的环境下，路基材料需要具有高强度来保证承重、低收缩性来防止路面开裂，路基材料底部与湿润的地层接触，需要较好的耐水性防止被地下水侵蚀，现有技术无法满足。

因此，需要开发出一种低收缩性、高强度、高耐水性的风积沙路基材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种低收缩性、高强度、高耐水性的风积沙路基材料及其制备方法。

本发明的技术方案为：一种低收缩高强度的风积沙路基材料，其特征在于，该材料包括以下按质量百分数的各组分：

风积沙74～78％；

水泥6～8％；

纳米材料1.5～2.5％；

聚乙烯醇0.1～0.5％；

高分子乳液0.2～0.8％；

水玻璃0.5～1.2％；余量为水。

本发明得到的风积沙路基7d无侧限抗压强度达到3.14-5.37MPa，干缩系数29.9-48.6με/％，耐水系数0.84-0.95，兼顾了高强度、低收缩性、高耐水性。

优选的，所述纳米材料为平均粒径20-100nm的纳米CaO、纳米MgO、纳米Al₂O₃中的一种或几种组合。

优选的，所述聚乙烯醇为分子量84000～89000的粉末状。

优选的，其中所述高分子乳液为固含量30-40％的环氧乳液或EVA乳液。环氧乳液或EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)乳液均为水性溶液。

优选的，所述水玻璃模数为2～2.5。

以上原料中，水泥为市售普通硅酸盐水泥P.O 42.5；纳米CaO、纳米MgO、纳米Al₂O₃均为市售产品，纳米CaO为安徽宣城晶瑞新材料有限公司生产的NC-1型纳米CaO；市售聚乙烯醇型号为PVA-1788，其平均粘合度为1700～1800DP，分子量84000～89000，粘度21～26cps，pH值为5～7，细度＞120目。水玻璃化学式为Na₂O·nSiO₂，模数n＝2～2.5。

优选的，包括以下按质量百分数的各组分：

风积沙74～76％；

水泥6～8％；

纳米材料2～2.5％；

聚乙烯醇0.3～0.5％；

高分子乳液0.4～0.6％；

水玻璃1～1.2％；余量为水。

从上述优选方案得到的风积沙路基7d无侧限抗压强度达到5.16-5.37MPa，干缩系数30.2-31.7με/％，耐水系数0.90-0.91，兼顾了高强度、低收缩性、高耐水性。

本发明还提供一种任一上述的低收缩高强固化风积沙的制备方法，其特征在于，步骤为：

(1)在温度为15～35℃的条件下，将风积沙与全部水量的一半混合搅拌均匀，密封、静置4h，得到混合物A；

(2)在生产设备中加入余下的水，在转速500r/min搅拌条件下逐渐加入聚乙烯醇、高分子乳液和水玻璃，搅拌10～15min，得到混合物B；

(3)将水泥、纳米材料加入干混机中进行混合至均匀，得到混合物C；

(4)将混合物A、混合物B、混合物C放入搅拌机中，搅拌3～5min至混合均匀，得到风积沙路基材料。

本发明的有益效果为：

1.水泥为主要强度来源，纳米材料有以下几个作用：

(1)胶结填充作用：纳米材料颗粒粒径为纳米级，且具备一定的化学活性，可改变沙土之间的键合作用，形成沙土颗粒间新的胶结，减少孔隙数量和尺寸，改善颗粒级配，再加上其颗粒填充作用，使结构更加密实。

(2)表面吸水作用：纳米材料比表面积大，有很好的吸水性，吸水后膨胀，且硬度变大，可抵抗水泥收缩，降低开裂风险。

(3)与水反应生成OH^-，可增加材料碱性，与水玻璃联合作用可进一步加速水泥的反应。

2.一般来说，固化风积沙是一种干硬性的状态，几乎没有流动性，聚乙烯醇是一种高分子聚合物，溶于水后其分子链舒展开来，可大大增加固化沙的流动性，使固化风积沙更佳致密，同时可改善水泥的分散性，使固化风积沙更加均匀，弥补了水泥固化风积沙的局部薄弱问题，可大幅提高风积沙的整体稳定性，聚乙烯醇粘结力较强，与水泥联合固化风积沙可大幅提高其力学性能。

3.聚乙烯醇是一种亲水性材料，遇水后其膜易溶解，即耐水性较差，而乳液成膜后，其膜为疏水膜，耐水性很好，可抵挡雨水冲刷和浸泡，且乳液成膜后具有较强的粘结力，可进一步提高固化风积沙的强度。

4.纳米材料与聚乙烯醇产生协同作用；由于聚乙烯醇溶于水后会形成如-COOH、-OH等基团，而纳米材料溶于水后，会产生Ca²⁺，Mg²⁺，Al³⁺等离子，-COOH、-OH与Ca²⁺，Mg²⁺，Al³⁺等离子发生络合作用，使高分子与沙粒结合更紧密。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，具体实施例1-8的配方如表1所示。以下所用的水泥为普通硅酸盐水泥P.O42.5，纳米材料为平均粒径20-100nm，纳米CaO为安徽宣城晶瑞新材料有限公司生产的NC-1型纳米CaO，聚乙烯醇型号为PVA-1788，其平均粘合度为1700～1800DP，分子量84000～89000，粘度21～26cps，pH值为5～7，细度＞120目。环氧乳液或EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)乳液均是水性乳液。水玻璃化学式为Na₂O·nSiO₂，为市售产品，模数n＝2～2.5。

表1实施例1-8的配方

以上数据单位均为质量份数。

实施例1

如表1所示，低收缩高强度的风积沙路基材料包括按质量份数的风积沙78份、水泥7份、纳米材料(纳米CaO)1.6份、聚乙烯醇0.2份、高分子乳液(固含量30％的环氧乳液)0.4份、水玻璃(模数为2.5)0.8份、水12份。

实施例2

如表1所示，低收缩高强度的风积沙路基材料包括按质量份数的风积沙76份、水泥7份、纳米材料(纳米CaO)2.5份、聚乙烯醇0.1份、高分子乳液(固含量35％的环氧乳液)0.6份、水玻璃(模数为2.5)0.8份、水13份。

实施例3

如表1所示，低收缩高强度的风积沙路基材料包括按质量份数的风积沙74份、水泥8份、纳米材料(纳米CaO)2份、聚乙烯醇0.5份、高分子乳液(固含量40％的环氧乳液)0.5份、水玻璃(模数为2.5)1份、水14份。

实施例4

如表1所示，低收缩高强度的风积沙路基材料包括按质量份数的风积沙75份、水泥6份、纳米材料(纳米CaO)2.2份、聚乙烯醇0.4份、高分子乳液(固含量40％的环氧乳液)0.4份、水玻璃(模数为2.5)1.1份、水14.9份。

实施例5

如表1所示，低收缩高强度的风积沙路基材料包括按质量份数的风积沙76份、水泥7份、纳米材料(纳米CaO)2.5份、聚乙烯醇0.3份、高分子乳液(固含量40％的环氧乳液)0.6份、水玻璃(模数为2.5)1.2份、水12.4份。

实施例6

如表1所示，低收缩高强度的风积沙路基材料包括按质量份数的风积沙78份、水泥6份、纳米材料(纳米MgO)1.5份、聚乙烯醇0.2份、高分子乳液(固含量40％的EVA乳液)0.2份、水玻璃(模数为2)0.5份、水13.6份。

实施例7

如表1所示，低收缩高强度的风积沙路基材料包括按质量份数的风积沙77份、水泥8份、纳米材料(纳米Al₂O₃)1.8份、聚乙烯醇0.1份、高分子乳液(固含量35％的EVA乳液)0.3份、水玻璃(模数为2.2)0.6份、水12.2份。

实施例8

如表1所示，低收缩高强度的风积沙路基材料包括按质量份数的风积沙74份、水泥7份、纳米材料(纳米MgO、纳米Al₂O₃按质量比1:1混合)1.6份、聚乙烯醇0.3份、高分子乳液(固含量30％的EVA乳液)0.8份、水玻璃(模数为2.4)0.7份、水15.6份。

上述实施例1-8低收缩高强度的风积沙路基材料的制备过程为：

(2)在生产设备中加入余下的水，在转速500r/min搅拌条件下逐渐加入聚乙烯醇、高分子乳液和水玻璃溶液，搅拌10～15min，得到混合物B；

3)将水泥、纳米材料加入干混机中进行混合至均匀，得到混合物C；

4)将混合物A、混合物B、混合物C放入搅拌机中，搅拌3～5min至混合均匀，得到风积沙路基材料。

对比例

将按质量份数的风积沙78份、水泥10份、水12份混合均匀，得到对比风积沙路基材料。

将上述实施例的风积沙路基材料进行性能测试

力学性能测试方法：按设计干密度1.80进行制样，通过将混合料装入直径100mm、高100mm的无侧限抗压试模进行压制成型，脱模后放入密封薄膜进行养护，6d后取出进行浸水养护1d，然后擦干试样表面水，测试试样的7d无侧限抗压强度。

耐水性能：用耐水系数来表征耐水性能；用6d标准养护+1d浸水养护条件下测得的抗压强度值除以7d标准养护条件下的抗压强度值来表示耐水系数。此比值越大，说明材料的耐水性能越好。

干缩性能测试方法：按设计干密度1.80进行制样，通过将混合料装入(4×4×16cm³)的模具进行压制成小梁试件，常温养护下，进行干缩试验，测试其总失水量(单位质量失水率)与7d干缩系数。所有性能测试结果见表2。

表2风积沙力学性能测试结果

测试结果表明：与水泥固化风积沙相比，在相同掺量下，本专利发明的一种固化风积沙有更高的强度，更小的干缩。通过配合比调整可使固化风积沙7d无侧限抗压强度达到5.37MPa，满足规范《土壤固化剂》(CJ/T 3073-1998)基层固化土7d无侧限抗压强度不低于3～4MPa的要求。

将实施例1～8与对比实施例对比可知：在水泥掺量保持一致的条件下，随着聚乙烯醇的加入，虽然增加的量不大，但是固化风积沙的强度显著增加，随着纳米CaO的加入，固化风积沙的收缩明显降低，乳液的增加可提高材料的耐水性能，但聚乙烯醇增加至一定量后对强度也无增强作用，而且纳米材料过量会导致材料膨胀开裂，综合几种材料的特性，相互协同补充，从而发挥出各项材料的优势，可大幅改善风积沙的强度、耐水性、收缩性等多项性能。

Claims

1.一种低收缩高强度的风积沙路基材料，其特征在于，包括以下按质量百分数的各组分：

风积沙74~78%；

水泥6~8%；

纳米材料1.5~2.5%；

聚乙烯醇0.1~0.5%；

高分子乳液0.2~0.8%；

水玻璃0.5~1.2%；余量为水。

所述纳米材料为平均粒径20~100nm的纳米CaO、纳米MgO、纳米Al₂O₃中的一种或几种组合；所述聚乙烯醇为分子量84000~89000的粉末状；所述高分子乳液为固含量30-40%的环氧乳液或EVA乳液。

2.如权利要求1所述的低收缩高强度的风积沙路基材料，其特征在于，所述水玻璃模数为2~2.5。

3.如权利要求1所述的低收缩高强度的风积沙路基材料，其特征在于，包括以下按质量百分数的各组分：

风积沙74~76%；

水泥6~8%；

纳米材料2~2.5%；

聚乙烯醇0.3~0.5%；

高分子乳液0.4~0.6%；

水玻璃1~1.2%；余量为水。

4.一种如权利要求1~3中任一所述的低收缩高强度的风积沙路基材料的制备方法，其特征在于，步骤为：

（1）在温度为15~35℃的条件下，将风积沙与全部水量的一半混合搅拌均匀，密封、静置4h，得到混合物A；

（2）在生产设备中加入余下的水，在转速500r/min搅拌条件下逐渐加入聚乙烯醇、高分子乳液和水玻璃，搅拌10~15min，得到混合物B；

（3）将水泥、纳米材料加入干混机中进行混合至均匀，得到混合物C；

（4）将混合物A、混合物B、混合物C放入搅拌机中，搅拌3~5min至混合均匀，得到风积沙路基材料。